合成氣一步法高選擇性制乙烯

論文概況：

   1）  構(gòu)建了ZnCrO_x-MOR雙功能催化劑體系，實(shí)現(xiàn)了高選擇性合成氣直接制乙烯,單獨(dú)乙烯在烴類(lèi)中的選擇性最高可以達(dá)到80%以上；

   2）  將乙烯的收率分別與MOR分子篩不同位置的B酸進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)了MOR的8元環(huán)口袋內(nèi)的B酸是乙烯生成的活性中心；

   3）  對(duì)雙功能催化劑的中間體進(jìn)行了研究，通過(guò)¹²⁹Xe固體核磁明確了乙烯酮更傾向于吸附在8元環(huán)口袋，而甲醇更傾向于吸附在12元環(huán)孔道內(nèi)。

   4）  通過(guò)模型試驗(yàn)確認(rèn)了乙烯酮可以在8元環(huán)口袋內(nèi)選擇性生成乙烯，而甲醇或DME無(wú)論在MOR的8元環(huán)口袋或12元環(huán)孔道內(nèi)都不能生成乙烯。

1.課題背景

      實(shí)現(xiàn)C-C偶聯(lián)的精準(zhǔn)調(diào)控一直是C₁化學(xué)最核心的也是最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，本文是在16年合成氣制混合烯烴工作（Science, 2016, 351(6227): 1065-1068）的繼承和延生，秉承活性中心分離的思想，即拋棄傳統(tǒng)的費(fèi)托合成的金屬催化劑，將CO活化和C-C偶聯(lián)分開(kāi)在兩個(gè)活性中心上進(jìn)行：使用部分還原的氧化物來(lái)活化CO和H2，在氧化物表面生成氣相中間體，擴(kuò)散到分子篩限域的孔道內(nèi)進(jìn)行可控的C-C偶聯(lián)。實(shí)際上基于類(lèi)似的思想，最近2年國(guó)內(nèi)外很多課題組，報(bào)道了一系列的氧化物-分子篩催化劑實(shí)現(xiàn)合成氣制混合烯烴（Science, 2016, 351(6227): 1065-1068；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4725；ACS Catal., 2017, 7(4): 2800-2804；Ind. Eng. Chem. Res., 2017, 56 (45), 13392–13401）；合成氣制芳烴（Chem 2017, 3, 334–347；Chem. Commu., 2017, 53(81): 11146-11149；Chem. Sci., 2017, 8, 7941-7946）；CO₂+H₂制烯烴（ACS Catal. 2017, 7, 8544-8548; Chem. Commun., 2018,54, 140-143 ）；CO₂+H₂制液體燃料（Nature Chemistry，2017，9, 1019–1024)等選擇性的突破。

      前面列舉的大量的文章報(bào)道的合成氣選擇性都取得了可喜的突破，但可以看出所有報(bào)道產(chǎn)物都是某一餾分的選擇性很高，截止目前C₁化學(xué)中仍然沒(méi)有甲烷以外的單一產(chǎn)物的高選擇性定向合成的報(bào)道。本文使用了一種包含ZnCrO_x與MOR分子篩的雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)了高選擇性直接制乙烯的過(guò)程。單獨(dú)乙烯在烴類(lèi)中的選擇性最高可以達(dá)到80%以上。這樣的乙烯選擇性遠(yuǎn)高于迄今報(bào)道的合成氣直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化的乙烯選擇性。

2. 乙烯選擇性與分子篩孔道結(jié)構(gòu)

      讓人疑惑的是這里使用的分子篩是一種具有一維12元環(huán)直通孔道（7.0 × 6.5 ?）的分子篩實(shí)現(xiàn)乙烯高選擇性.
      在過(guò)去的MTO研究中，為了提高產(chǎn)物中乙烯的選擇性，一種相對(duì)有效的手段是使用具有更小籠尺寸的LEV分子篩。雖然提高了乙烯選擇性（可以達(dá)到~60%左右），但相比經(jīng)典的CHA分子篩由于孔道太小，更小的籠尺寸限制了產(chǎn)物的擴(kuò)散，更加容易導(dǎo)致積碳失活。相對(duì)的MOR這種具有較大孔道的分子篩與小分子烯烴（C₂-C₄烯烴）尺寸并不匹配（甚至比芳烴尺寸還要大），也因此MOR分子篩在過(guò)去的MTO研究中，無(wú)論是活性還是選擇性上的表現(xiàn)都不能令研究者們滿(mǎn)意。反而更多是應(yīng)用于一些具有較大尺寸的分子的活化和轉(zhuǎn)化上，例如長(zhǎng)鏈烴類(lèi)的裂解反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)。

      本文報(bào)道的MOR分子篩在合成氣轉(zhuǎn)化中居然有如此驚艷的乙烯選擇性，著實(shí)讓人驚訝和費(fèi)解。仔細(xì)觀察MOR的孔道結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上MOR的12元環(huán)直通孔道兩側(cè)交錯(cuò)連接了8元環(huán)孔口的側(cè)邊口袋（通常稱(chēng)為side pocket）。而這個(gè)側(cè)邊口袋無(wú)論是孔口尺寸（4.8 × 3.4 ?）還是籠的尺寸看起來(lái)都更加與乙烯分子相匹配。

3. 乙烯的生成位點(diǎn)確認(rèn)

      要弄清楚乙烯的生成到底是在什么位置,需要一系列具有不同酸分布的樣品與反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)。查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)去有大量的報(bào)道關(guān)于Na⁺可以選擇性的優(yōu)先取代MOR的8元環(huán)中的B酸，之后再取代12元環(huán)中的B酸；而紅外則是非常有效的可以定量區(qū)分不同位置B酸的方式。這就給本文研究MOR上不同活性中心對(duì)反應(yīng)的影響提供了基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)不同樣品進(jìn)行不同程度的Na⁺離子交換，可以得到了一系列不同酸分布的MOR分子篩。通過(guò)核磁的¹H譜可以定量測(cè)出每個(gè)樣品的總B酸含量，進(jìn)一步通過(guò)原位紅外光譜計(jì)算出不同位置B酸的相對(duì)含量，可以計(jì)算出每個(gè)樣品8元環(huán)側(cè)邊口袋中的B酸含量以及12元環(huán)中的B酸含量。將不同位置B酸的含量與相同條件下合成氣反應(yīng)中乙烯的生成速率進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以清楚的看到在乙烯的生成速率與8元環(huán)側(cè)邊口袋中的B酸含量有非常好的線性關(guān)系，而12元環(huán)中的B酸含量和乙烯的生成速率并沒(méi)有相關(guān)性(圖2)。

      而進(jìn)一步使用吡啶（分子尺寸大于8元環(huán)小于12元環(huán)，因此只能進(jìn)入12元環(huán)不能進(jìn)入8元環(huán)側(cè)邊口袋）選擇性的占據(jù)12元環(huán)孔道中的B酸，只暴露8元環(huán)側(cè)邊口袋中的B酸。吡啶修飾后的樣品（圖3中實(shí)心點(diǎn)）乙烯的選擇性相比不修飾的樣品（圖3中空心點(diǎn)），明顯提高。更加有趣的是，吡啶修飾后CO轉(zhuǎn)化率也有所提高，雖然轉(zhuǎn)化率提高原因目前尚不知曉。但是上面的實(shí)驗(yàn)都證明了，MOR的8元環(huán)側(cè)邊口袋中的B酸位點(diǎn)是合成氣轉(zhuǎn)化中乙烯生成的活性中心，而12元環(huán)中的B酸位點(diǎn)對(duì)于乙烯的生成并沒(méi)有明確幫助。

4. 乙烯酮中間體與孔結(jié)構(gòu)的相互作用

      隨之而來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題便是，究竟是什么原因促使氧化物生成的中間體會(huì)選擇性的在MOR的8元環(huán)側(cè)邊口袋中反應(yīng)生成乙烯，而不在12元環(huán)中反應(yīng)生成更多的長(zhǎng)碳鏈的大分子烴類(lèi)呢？過(guò)去的MTO研究表明甲醇似乎就更加傾向于在MOR的12元環(huán)中反應(yīng)生成長(zhǎng)鏈烴類(lèi)或芳烴甚至積碳堵塞孔道。本文作者在2016年的報(bào)道中（Science, 2016, 351(6227): 1065-1068）提出合成氣在ZnCrO_x-MSAPO上生成烯烴的中間體更可能是乙烯酮。由于吸附是催化反應(yīng)的第一步，文中對(duì)乙烯酮、甲醇在MOR不同活性中心的吸附進(jìn)行了研究。通過(guò)¹²⁹Xe固體核磁實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，乙烯酮更傾向于吸附在MOR的8元環(huán)中，而甲醇更傾向于吸附在MOR的12元環(huán)中 (圖4 )。Corma課題組的理論計(jì)算也發(fā)現(xiàn)甲醇在12元環(huán)的吸附能明顯大于8元環(huán)（J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16316-16323），而Rasmussen等也通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)乙烯酮在8元環(huán)側(cè)邊口袋的吸附比12元環(huán)更強(qiáng)（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7261-7264）。  

5. 中間體模型實(shí)驗(yàn)比較

      進(jìn)一步通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)比較了合成氣在OX-MOR催化劑，乙烯酮和甲醇在MOR不同活性位點(diǎn)反應(yīng)的烴分布，更加直觀的看出合成氣在只有8元環(huán)B酸的ZnCrO_x-MOR#2-py和同時(shí)含有8元環(huán)和12元環(huán)B酸的MOR#3上反應(yīng)產(chǎn)物的烴分布（圖4-15 A和G）與乙烯酮在這兩個(gè)樣品上分別反應(yīng)的烴類(lèi)產(chǎn)物分布（圖4-15 B和H）相似，均表現(xiàn)出了優(yōu)異的乙烯選擇性并且乙烯酮反應(yīng)得到的乙烯選擇性更高，特別是乙烯酮在MOR的8元環(huán)B酸上乙烯選擇性可達(dá)90%。但是無(wú)論是合成氣還是乙烯酮在MOR的12元環(huán)B酸上（MOR#14）反應(yīng)的產(chǎn)物分布都非常寬，選擇性很差（圖4-15 D和E）。而甲醇在這三個(gè)樣品上轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物分布都較寬，在只有8元環(huán)B酸的MOR#2-py上甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中C₃最多達(dá)到48%，C₂的烴類(lèi)只有31%（圖4-15 C）。而在僅暴露12元環(huán)B酸的MOR#14上，甲醇的反應(yīng)產(chǎn)物中C₃₊達(dá)到86%，C₂選擇性?xún)H僅12%（圖4-15 F）。在MOR#3上也表現(xiàn)出了類(lèi)似MOR#14的選擇性。